DE3315062C2

DE3315062C2 -

Info

Publication number: DE3315062C2
Application number: DE3315062A
Authority: DE
Inventors: Mitsuharu Morishita; Shiro Iwatani; Mitsuaki Himeji Hyogo Jp Nanba
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-04-26
Filing date: 1983-04-26
Publication date: 1988-03-31
Also published as: JPS58187260A; FR2525509A1; FR2525509B1; DE3315062A1; US4848646A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Problem, ein Lotmaterial auf einem Substrat aus einem Aluminiummetallmaterial unter Ausbildung einer festen Lotverbindung abzuscheiden.The present invention relates to the problem of a solder material on a substrate made of an aluminum metal material deposit with formation of a solid solder connection.

Lötarbeiten werden im allgemeinen bei Aluminiummetall nicht durchgeführt, da das Aluminiummetall dabei leicht oxidiert wird und die Gefahr besteht, daß elektrolytische Korrosionserscheinungen verursacht werden. Es ist schwierig, eine feste Lösung mit dem Lotmaterial auszubilden. Man hat daher Aluminiummetall kaum für solche Zwecke verwenden können, bei denen Lötarbeiten erforderlich sind. Bei der Herstellung von Halbleiterelementen wird beispielsweise ein Kühlkörper angelötet. Herkömmlicherweise besteht das Kühlkörpermaterial aus Kupfer, da mit diesem Material, im Gegensatz zu einem Aluminiummaterial, bei der Lötarbeit keine Schwierigkeiten auftreten.Soldering work is generally done on aluminum metal not done because the aluminum metal is light is oxidized and there is a risk that electrolytic Corrosion symptoms are caused. It's tough, to form a solid solution with the solder material. You hardly have aluminum metal for them Can use purposes where soldering is required are. In the manufacture of semiconductor elements For example, a heat sink is soldered on. Traditionally the heat sink material is made of copper, because with this material, unlike an aluminum material, there are no difficulties with soldering.

Ein Beispiel eines herkömmlichen Verfahrens zum Löten eines Halbleiterelementes an einen Kühlkörper aus Kupfer wird anhand von Fig. 1 erläutert. An example of a conventional method for soldering a semiconductor element to a copper heat sink is explained with reference to FIG. 1.

Dabei ist, wie aus der Fig. 1 hervorgeht, das Halbleiterelement 1 an den aus Kupfer bestehenden Kühlkörper 2 unter Verwendung des Lotmaterials 3 angelötet. Je nach den Bedingungen des Lötens kann es dabei jedoch vorkommen, daß Kupferionen aus dem aus Kupfer bestehenden Kühlkörper 2 während des Betriebs der Halbleitervorrichtung ionisiert werden und dadurch einen Störeffekt auf die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterelements 1 ausüben. Darüber hinaus ist Kupfer ein schweres Material und ist teuer, was dazu führt, daß die zu bauende Halbleitervorrichtung unvermeidbar schwer und teuer wird.In this case, the semiconductor element 1 as shown in FIG. 1, soldered to the copper-made heat sink 2 using the solder material. 3 Depending on the conditions of the soldering, however, it can happen that copper ions from the heat sink 2 made of copper are ionized during operation of the semiconductor device and thereby exert an interference effect on the electrical properties of the semiconductor element 1 . In addition, copper is a heavy material and is expensive, resulting in the semiconductor device to be built inevitably becoming heavy and expensive.

Der Grund dafür, daß Kupfer trotz seiner Nachteile bisher als Material für den Kühlkörper verwendet wurde, besteht darin, daß Aluminium, welches ein geringes Gewicht hat und billig zu haben ist, ein Material darstellt, dessen Verbindung mit dem Lot Schwierigkeiten bereitet.The reason that copper despite its disadvantages was previously used as the material for the heat sink, is that aluminum, which is lightweight has and is inexpensive, is a material its connection with the solder difficulties prepares.

Von den Erfindern wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt zur Entwicklung eines verbesserten Verfahrens der Abscheidung des Lotmaterials auf Aluminiummetallmaterial. Dabei wurde festgestellt, daß das Lotmaterial auf dem Aluminiummetallmaterial leicht und fest abgeschieden werden kann unter Anwendung der folgenden Verfahrensstufen:Extensive investigations have been carried out by the inventors carried out to develop an improved process the deposition of the solder material on aluminum metal material. It was found that the solder material on the aluminum metal material easily and can be firmly deposited using the following Process stages:

(A) activation of the surface of the aluminum metal material;
(B) Replace (substitution) the activated Surface of aluminum by zinc;
(C) Formation of a nickel coating film on the zinc-substituted surface using a electroless plating process; and
(D) Applying the solder material to the surface of the nickel plating film.

Die Verfahrensstufen (A), (B) und (C) sind an sich bekannt im Zusammenhang mit der Herstellung von Magnetaufzeichnungsmaterialien, bei denen eine Nickellegierung auf einem Aluminiumsubstrat abgeschieden wird (US-PS 41 50 172, US-PS 32 02 529 und GB-PS 12 71 465).Process stages (A), (B) and (C) are known per se in connection with the production of magnetic recording materials, with a nickel alloy on one Aluminum substrate is deposited (US-PS 41 50 172, US-PS 32 02 529 and GB-PS 12 71 465).

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Aluminiummetallmaterial anzugeben, das sich als Substrat bei der Abscheidung von Lotmaterial eignet und insbesondere die Ausbildung einer festen Lotverbindung ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to provide an aluminum metal material to indicate that as a substrate the deposition of solder material is particularly suitable enables the formation of a fixed solder connection.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung eines Aluminiummetallmaterials, das einer Vorbehandlung unterzogen wurde, welche die folgenden an sich bekannten Verfahrensstufen umfaßt:According to the invention, this object is achieved by the use an aluminum metal material, which is a pretreatment which has undergone the following in itself known process steps include:

(a) activation of the surface of the aluminum metal material;
(b) Substitution of the activated surface layer by zinc; and
(c) Forming a nickel coating on the surface the zinc-substituted layer by electroless nickel deposition

als Substrat bei einer Abscheidung von Lotmaterial.as a substrate for the deposition of solder material.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Preferred embodiments of the invention are in the subclaims featured.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigtIn the following the invention with reference to drawings explained in more detail; it shows

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung, bei der ein Halbleiterelement auf einem herkömmlichen Kühlkörper aus Kupfer aufgelötet ist; und Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device in which a semiconductor element is soldered to a conventional heat sink made of copper; and

Fig. 2 und 3 schematische Querschnittsansichten von Halbleitervorrichtungen, welche unter Verwendung des erfindungsgemäßen Aluminiummetallmaterials hergestellt wurden. Fig. 2 and 3 are schematic cross-sectional views of semiconductor devices, which were prepared using the aluminum metal material of the invention.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 näher erläutert, wobei es sich um typische Ausführungsformen von Verfahren zum Löten des Halbleiterelements an einen Kühlkörper aus Aluminium handelt.The present invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 2 and 3, which are typical embodiments of methods for soldering the semiconductor element to an aluminum heat sink.

Zunächst wird gemäß der vorstehenden Verfahrensstufe (a) eine Vorbehandlung zur Aktivierung der Oberfläche durchgeführt. Diese Behandlung kann durchgeführt werden, indem man eine Salpetersäurelösung auf den Kühlkörper 10 aufbringt, falls der Kühlkörper aus reinem Aluminium besteht, oder indem man eine gemischte Flüssigkeit aus Flußsäure und Salpetersäure auf den Kühlkörper aufbringt, falls er aus einer Legierung von Silicium und Aluminium besteht, oder indem man eine gemischte Flüssigkeit aus Schwefelsäure und Salpetersäure auf den Kühlkörper aufbringt, falls dieser aus einer Legierung aus Magnesium und Aluminium besteht, oder indem man den Kühlkörper in eine derartige Behandlungsflüssigkeit eintaucht, welche hinsichtlich ihrer Bestandteile jeweils dem Kühlkörper entsprechend angepaßt ist. First of all, according to process step (a) above, a pretreatment is carried out to activate the surface. This treatment can be carried out by applying a nitric acid solution to the heat sink 10 if the heat sink is made of pure aluminum, or by applying a mixed liquid of hydrofluoric acid and nitric acid to the heat sink if it is made of an alloy of silicon and aluminum. or by applying a mixed liquid of sulfuric acid and nitric acid to the heat sink, if it consists of an alloy of magnesium and aluminum, or by immersing the heat sink in such a treatment liquid, which is adapted to the heat sink in terms of its components.

Die Zinksubstitutionsbehandlung der Verfahrensstufe (b) kann auf der aktivierten Oberfläche des Aluminiummetallmaterials beispielsweise nach einem Verfahren der Zinksubstitution, der Zinklegierungssubstitution usw. durchgeführt werden, wobei alle diese Verfahren zum Typ der Substitutions(Ionenaustausch)-Plattierung gehören. Als Ergebnis wird eine zinksubstituierte Schicht 11 auf der Oberfläche des Aluminiummetallmaterials ausgebildet.The zinc substitution treatment of process step (b) can be carried out on the activated surface of the aluminum metal material by, for example, a method of zinc substitution, zinc alloy substitution, etc., all of which belong to the type of substitution (ion exchange) plating. As a result, a zinc-substituted layer 11 is formed on the surface of the aluminum metal material.

Nachfolgend werden einige Beispiele für das Plattierungsbad angegeben, die im Falle der Anwendung des Substitutions-Plattierungsverfahrens Verwendung finden können. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß das Plattierungsbad nicht auf diese angegebenen Beispiele beschränkt ist.Below are some examples of the plating bath specified in the case of using the substitution plating method Find use can. However, it should be noted that the Plating bath not on these given examples is limited.

Plattierungsbad (I)
Komponenteg/l Nickelsulfat 30 Zinksulfat 40 Kupfersulfat 5 Natriumhydroxid106 Rochellesalz 40 Kaliumprussiat 10 Eisen(III)-chlorid 2Plating bath (I)
Component t / l nickel sulfate 30 zinc sulfate 40 copper sulfate 5 sodium hydroxide 106 Rochelle salt 40 potassium prussiate 10 iron (III) chloride 2

Plattierungsbad (II)
Komponenteg/l Zinkoxid100 Ätznatron525 Rochellesalz 10 Eisen(III)-chlorid 10Plating bath (II)
Component t / l zinc oxide 100 Caustic soda 525 Rochelle salt 10 Iron (III) chloride 10

Es ist, nebenbei bemerkt, möglich, die zinksubstituierte Schicht, welche sich einmal ausgebildet hat, zu entfernen und eine frische, zinksubstituierte Schicht auf die gleiche, oben erwähnte Weise wiederum auszubilden. Darüber hinaus kann eine derartige Schichtbildung wiederholt durchgeführt werden.It is possible, by the way, the zinc substituted one Remove the layer that has once formed and a fresh, zinc-substituted layer to train the same way mentioned above again. In addition, such layer formation can be repeated be performed.

Die Verfahrensstufe (c) zur Ausbildung des Nickelbeschichtungsfilms kann durchgeführt werden mittels des stromlosen Plattierungsverfahrens auf der Oberfläche der in der Stufe (b) erhaltenen, zinksubstituierten Schicht 11, und zwar unter Ausbildung des Nickelbeschichtungsfilms 12. Geeignete Plattierflüssigkeiten für diesen Zweck sind beispielsweise solche vom Borid-Typ, vom Hypophosphorsäure-Typ und andere.Process step (c) for forming the nickel coating film can be carried out by the electroless plating process on the surface of the zinc-substituted layer 11 obtained in step (b), thereby forming the nickel coating film 12 . Suitable plating liquids for this purpose are, for example, those of the boride type, the hypophosphoric acid type and others.

Für die bei den Verfahrensstufen (b) und (c) durchzuführenden Plattierungen können Bedingungen angewendet werden, wie sie bei herkömmlichen Plattierungsarbeiten gebräuchlich sind. Das Aluminiummetallmaterial wird beispielsweise zur Durchführung der Verfahrensstufe (b) 10 bis 60 Sekunden bei 20 bis 30°C eingetaucht und zur Durchführung der Stufe (c) 10 bis 60 Sekunden bei 60 bis 95°C eingetaucht. Anschließend kann das Halbleiterelement 1 auf herkömmlichem Wege auf den Nickelbeschichtungsfilm 12, der auf die oben beschriebenen Weise ausgebildet wurde, aufgelötet werden.Conditions can be used for the plating to be carried out in process steps (b) and (c), as are customary in conventional plating work. For example, the aluminum metal material is immersed at 20 to 30 ° C for 10 to 60 seconds to carry out process step (b) and at 60 to 95 ° C for 10 to 60 seconds to carry out step (c). Then, the semiconductor element 1 can be soldered onto the nickel coating film 12 formed in the above-described manner in a conventional manner.

Durch die obige Vorbehandlung ist es möglich, das leichte Aluminium für den Kühlkörper zu verwenden. Dadurch kann das Gewicht der Gesamtvorrichtung reduziert werden, und es können ferner die Herstellungskosten der Vorrichtung verringert werden, da Aluminium kostengünstig zur Verfügung steht. Da darüber hinaus Aluminium leicht bearbeitet werden kann, gestaltet sich die Formung des Kühlkörpers äußerst einfach. Es sei nebenbei erwähnt, daß der Nickelbeschichtungsfilm 12 keinerlei nachteiligen Einfluß auf das Halbleiterelement 1 ausübt.The above pretreatment makes it possible to use the light aluminum for the heat sink. As a result, the weight of the overall device can be reduced and the manufacturing costs of the device can also be reduced since aluminum is available at low cost. Since aluminum can also be easily machined, the shape of the heat sink is extremely simple. Incidentally, it should be noted that the nickel coating film 12 has no adverse influence on the semiconductor element 1 .

Bei den Verfahrensstufen (b) und (c) der Vorbehandlung werden sowohl die zinksubstituierte Schicht 11 als auch der Nickelbeschichtungsfilm 12 ausgebildet. Bei diesen Verfahrensstufen kann ein stromloses Verfahren angewendet werden. Dadurch ist es möglich, die Behandlung des Aluminiummetallmaterials unter Verwendung einer einfachen Apparatur durchzuführen und eine große Menge des Materials auf einmal zu bearbeiten.In process steps (b) and (c) of the pretreatment, both the zinc-substituted layer 11 and the nickel coating film 12 are formed. An electroless process can be used in these process stages. This makes it possible to carry out the treatment of the aluminum metal material using simple equipment and to process a large amount of the material at once.

Es sei darauf hingewiesen, daß die zinksubstituierte Schicht und der Nickelbeschichtungsfilm nicht immer über der gesamten Oberfläche des Aluminiummetallmaterials ausgebildet sein müssen. Diese Schichten können auch lediglich auf denjenigen Bereichen ausgebildet sein, welche für das Löten erforderlich sind. Zu diesem Zweck kann es ausreichen, daß solche Bereiche, welche nicht für das Löten benötigt werden, mit Isolierschichten maskiert werden und nachfolgend die zinksubstituierte Schicht 11 und der Nickelbeschichtungsfilm 12 auf den erforderlichen Bereichen ausgebildet werden. In Fig. 3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung dargestellt, die auf die oben beschriebene Weise erhalten wurde.It should be noted that the zinc substituted layer and the nickel coating film do not always have to be formed over the entire surface of the aluminum metal material. These layers can also be formed only on those areas that are required for the soldering. For this purpose, it may be sufficient that those areas which are not required for the soldering are masked with insulating layers and subsequently the zinc-substituted layer 11 and the nickel coating film 12 are formed on the required areas. In Fig. 3 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device is shown, which was obtained in the manner described above.

Dieses Verfahren bietet zusätzlich zu den oben erwähnten Vorteilen aufgrund der Tatsache, daß die zinksubstituierte Schicht 11 und der Nickelbeschichtungsfilm 12 lediglich auf den Bereichen ausgebildet werden, wo das Löten stattfindet, folgende Vorteile. Die zinksubstituierte Schicht und der Nickelbeschichtungsfilm liegen in denjenigen Bereichen des metallischen Materials, welche für das Löten nicht benötigt werden, nicht frei und die elektrolytische Korrosion aufgrund des Potentialgradienten mit dem Aluminium, welches den Kühlkörper 10 aufbaut, kann verhindert werden.In addition to the advantages mentioned above, this method offers the following advantages due to the fact that the zinc-substituted layer 11 and the nickel coating film 12 are formed only on the areas where the soldering takes place. The zinc-substituted layer and the nickel coating film are not exposed in those areas of the metallic material that are not required for the soldering, and the electrolytic corrosion due to the potential gradient with the aluminum that builds up the heat sink 10 can be prevented.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.In the following the invention is illustrated by an example explained in more detail.

example

Ein Kühlkörper aus Aluminium wird in eine gemischte Flüssigkeit von Fluorsäure und Salpetersäure (mit einem Volumenverhältnis von 50:30) 5 bis 10 s eingetaucht. Dabei wird die Oberfläche des Aluminiummetallmaterials aktiviert. Anschließend wird der Kühlkörper in das zuvor erwähnte Plattierungsbad (I) 10 bis 60 s eingetaucht, um auf diese Weise eine zinksubstituierte Schicht auszubilden.An aluminum heat sink is mixed into one Liquid of fluoric acid and nitric acid (with a Volume ratio of 50:30) 5 to 10 s immersed. The surface of the aluminum metal material activated. Then the heat sink is in the previously mentioned plating bath (I) immersed for 10 to 60 s, to be a zinc substituted this way Train layer.

Der so behandelte Kühlkörper wird anschließend in ein Plattierungsbad vom Bor-Typ der folgenden Zusammensetzung 1 h eingetaucht, um auf diese Weise einen Nickelbeschichtungsfilm auszubilden.The heat sink treated in this way is then in a boron type plating bath of the following composition Immersed for 1 h to make a Form nickel coating film.

Komponenteg/l Nickelchlorid30 Nickelhydroxid40 Äthylendiamin60 Natriumfluorid 3 Natriumborhydrid 0,5Component class / l Nickel chloride 30 Nickel hydroxide40 Ethylenediamine 60 Sodium fluoride 3 Sodium borohydride 0.5

Beim Auflöten eines Halbleiterelements auf den so gebildeten Nickelbeschichtungsfilm haftet das Lotmaterial fest an dem Nickelbeschichtungsfilm und das Löten kann leicht durchgeführt werden.When soldering a semiconductor element on the so formed Nickel coating film adheres the solder material stuck to the nickel plating film and soldering can be done easily.

Bei Verwendung des vorbehandelten Materials ist es möglich, die Lötarbeit bei Aluminiummetallmaterial durchzuführen, welches ein geringes Gewicht hat und billig ist. Zur Durchführung des Verfahrens ist es lediglich erforderlich, die Oberfläche des Aluminiums zu aktivieren, nachfolgend die zinksubstituierte Schicht und danach den Nickelbeschichtungsfilm auszubilden. Darüber hinaus ist die Praktikabilität des Verfahrens ausgezeichnet. Die Vorbehandlungsstufen können in einem einfachen apparativen Aufbau in großem Maßstab durchgeführt werden.When using the pretreated material, it is possible to to carry out the soldering work on aluminum metal material, which is light in weight and cheap. To carry out the method, it is only necessary to to activate the surface of the aluminum followed by the zinc-substituted layer and then to form the nickel plating film. Furthermore the practicability of the process is excellent. The pretreatment levels can be in a simple apparatus construction on a large scale be performed.

Vorstehend wurde die erfindungsgemäße Verwendung in erster Linie anhand eines Beispiels erläutert, bei dem ein Halbleiterelement an einen Kühlkörper angelötet wurde. Das vorbehandelte Material eignet sich jedoch für alle Fälle, wo eine Lotverbindung zu Aluminium hergestellt werden soll.Above was the first use of the invention Line explained using an example in which a semiconductor element to one Heat sink was soldered. The pre-treated material is however suitable for all cases where a solder connection to aluminum can be made should.

Claims

1. Use of an aluminum metal material which has been subjected to a pretreatment which comprises the following process steps known per se:

(a) activation of the surface of the aluminum metal material;
(b) substitution of the activated surface layer by zinc; and
(c) Forming a nickel coating on the surface of the zinc-substituted layer by electroless nickel deposition

as a substrate for the deposition of solder material.

2. Use according to claim 1, characterized in that after process step (b) the formed zinc-substituted layer was removed and subsequently process step (b) was repeated.

3. Use according to one of claims 1 or 2, characterized characterized in that process steps (a) and / or (b) and (c) were performed after those areas of the aluminum metal material surface, to which the solder material should not be applied, have been masked by means of an insulating layer.

4. Using an aluminum metal material after one of claims 1 to 3 as a substrate of a semiconductor element.